Методы окисления в химической технологии бав



Скачать 150.97 Kb.
Дата22.04.2016
Размер150.97 Kb.

Методы окисления в химической технологии БАВ


Практическое значение реакций окисления чрезвычайно велико. В промышленности путем окисления получают жирные кислоты, малеиновый и фталевый ангидриды, окиси этилена и пропилена, акрилонитрил, ацетальдегид и др. Это крупнотоннажные производства, в которых, как правило, используются непрерывные технологические схемы, высокоэффективные катализаторы и производительное оборудование.

Окислительные процессы широко применяются и в синтезе лекарственных веществ и витаминов (оксолина, левомицетина, цистамина, хиноксидина, нитроксолина, этамида, витамина РР и многих других).



Окисление - это реакция, в результате которой под действием окислителя уменьшается электронная плотность у окисляемой функциональной группы. Реакция может протекать с отрывом пары электронов (ионный механизм), или с отрывом одного электрона (радикальный механизм). Окисление представляет собой процесс, противоположный восстановлению.

Чувствительные к окислению положения имеют повышенную электронную плотность и, следовательно, совпадают с центрами, чувствительными к электрофильным и радикальным атакам. К таким центрам относятся имеющие неподеленные пары электронов гетероатомы (N, S, O), двойные или тройные связи, активированные связи С-Н, С-С и др. Легкость окисления субстрата возрастает вместе с ростом его нуклеофильности.

Для сравнения начального и конечного состояния веществ в окислительно-восстановительных реакциях иногда используется такое формальное понятие как степень окисления. Существуют разные способы определения её. Мы будем пользоваться «школьным»: степень окисления – это тот условный заряд атома, который возникнет на нем при условии, что электронные пары связей полностью сместятся к более электроотрицательному атому, образующему эту связь, а электроны связи между одинаковыми атомами будут поделены пополам. В ходе реакций окисления степень окисления атомов субстрата увеличивается. Например, при окислении метильной группы до карбоксильной степень окисления атома углерода увеличивается от (-3) до +3:





В качестве окислителей используются сильные электрофилы. Ими могут быть: простые вещества [кислород, озон, сера, галогены], оксиды элементов [оксиды серебра, меди (II), хрома (VI), марганца (IV), селена (IV), серы (VI), азота и др.], пероксиды [перекиси водорода, металлов, органические гидроперекиси, надкислоты], кислородсодержащие кислоты и их соли [азотная, хлорная HClO4, иодная HIO4, хромовая H2CrO4 кислоты, гипогалогениты, перманганат калия KMnO4, бихроматы калия и натрия Na2Cr2O7, тетраацетат свинца Pb(CH3COO)4 и др.], некоторые органические соединения (нитросоединения, циклогексанон).

Конечный результат (качество и выход целевого продукта) в каждом отдельном случае зависят от природы субстрата и окислителя и условий проведения процесса.

Выбор того или иного окислителя определяется целевым продуктом, видом сырья, экономическими факторами, технологичностью процесса, вопросами техники безопасности и др. критериями. Следует отметить, что наиболее дешевым и доступным окислителем является кислород воздуха, который в настоящее время широко используется в каталитических процессах окисления.

I. Окисление (дегидрирование) предельных углеводородов в алкены


Для синтеза алкенов из алканов используют каталитическое и окислительное дегидрирование. В результате этих процессов повышается степени окисления атомов в органических соединениях.

- Примером каталитического дегидрирования может служить дегидрирование 3,4-дигидропапаверина в присутствии палладия на сульфате бария в среде тетралина при 190-200°С в синтезе папаверина



- Окислительное дегидрирование, чаще всего, проводят хлоранилом (2,3,5,6-тетрахлор-1,4-бензохинон) и ДДХ (2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон), и в значительно более мягких условиях (при температуре около 100оС) с выходом более 80%:

Строение образующегося продукта зависит от использованного хинона, природы растворителя и кислотности среды.



Дегидрирование хинонами является чрезвычайно полезным селективным методом в синтезе стероидных кетонов:





- Окислительное дегидрирование диоксидом селена менее селективно, но также применяется в химии стероидов:


II. окисление активированных метильных и метиленовых групп в альдегиды


При синтезе альдегидов возникают трудности, связанные с тем, что они, как правило, окисляются легче, чем субстрат, а также способны к реакциям полимеризации и конденсации. В связи с этим альдегиды лучше всего получать:

А) Каталитическим дегидрированием спиртов в присутствии катализаторов на основе меди и серебра. Процесс идет с хорошим выходом (около 90%), но при температурах более 200оС. Хорошие результаты получаются, в частности, при использовании медного катализатора на носителе с добавлением 5% Со и 2% Cr.


Б) Окисление органических соединений в альдегиды – возможно лишь при применении селективных окислителей и катализаторов и специальных технологических приемов:

а) Применение высокоселективных окислителей и тщательный подбор условий проведения реакции. Например,

1. Окисление оксидом селена (IV) активированных метильных и метиленовых групп, находящихся рядом с карбонилом и ароматическим ядром. Таким способом могут быть получены алифатические, ароматические и гетероциклические альдегиды:





Жидкие вещества окисляют без растворителя, для твердых в качестве растворителя используют спирт, этилацетат, ксилол, диоксан. Выходы составляют 50-90%.



2. Окисление первичных спиртов комплексами оксида хрома (VI)


3. Окисление -гликолей периодатом натрия идет при пониженных температурах 0 – 20оС с количественным выходом:



4. Окисление уротропином бензиламинов или бензилгалогенидов (реакция Соммле):



В этом синтезе в альдегид окисляется алифатический амин, который в связи с повышенной электронной плотностью на атоме азота легко окисляется до имина, даже таким окислителем, как уротропин. Считают, что реакция Соммле с галогенидами протекает через стадию образования четвертичной аммониевой соли с гексаметилентетрамином (уротропином). При нагревании такой четвертичной аммонийной соли в слабокислой среде образуется азометин, который гидролизуется до амина. Амин окисляется уротропином до имина, который гидролизуются до альдегида:









Электроноакцепторные заместители в ароматическом ядре замедляют реакцию. Из бисхлорметильных соединений образуются п- и м-диальдегиды. о-Диальдегиды не образуются. Ароматические альдегиды по этому методу образуются с выходом 50-80%. В алифатическом ряду реакция не применяется вследствие малого выхода целевых продуктов (вероятно, в связи с меньшей активности алкилгалогенидов по сравнению с бензиламином).



б) Применение высокоселективных катализаторов.

Пропускание смеси паров толуола и воздуха над селективным катализатором (смесь окислов урана, молибдена и меди) при температуре 475-500°С позволяет получать бензальдегид с выходом до 85-90%.



в) При использовании обычных окислителей необходимо использовать специальные технологические приемы:

1. Превращение образующегося альдегида в более стабильное производное (например, диацетат), которое в дальнейшем можно снова количественно превратить в альдегид (например, гидролизовать).





2. Отгонка низкокипящего альдегида из реакционной массы.




3. Извлечение образовавшегося альдегида в инертную фазу без окислителя (например, окисление MnO2 в эфире).

4. Использование особенностей субстрата, окислителя и условий реакций.

- Окисление бихроматом бензилхлорида и его замещенных в щелочной среде:

В данном случае используется способность галогенида окисляться в таких условиях, при которых альдегид сохраняется.



- Окисление двуокисью марганца толуола и его производных в серной кислоте. Для сохранения альдегида используется пониженная активность окислителя и низкие температуры.

Окислитель малоселективен. При температуре менее 40°С (при которых скорость окисления мала) в результате реакции образуется альдегид, но уже при 60-70°С - основным продуктом является бензойная кислота.



Кислотность среды зависит от количества окислителя. В тех случаях, когда двуокись марганца берут в избытке, используют водную серную кислоту. Если двуокись марганца взята в стехиометрическом соотношении, применяют избыток концентрированной серной кислоты.

5. Неселективное окисление толуола и его производных воздухом в жидкой и газовой фазах с последующим разделением продуктов реакции. В жидкой фазе образуется смесь продуктов, главным из которых является бензойная кислота (см. ниже). Бензальдегид образуется при этом в относительно небольших количествах.

III. окисление активированных метиленовых (-сн2-) и метилидиновых (–Сн=) групп в кетоны


Кетоны очень трудно окисляются в кислоты, что сильно упрощает их синтез. Для их получения используют:

1. Окисление вторичных спиртов бихроматом в кислой среде:



2. Окисление вторичных спиртов смесью кетона с алкоголятом алюминия (метод Оппенауэра). Метод широко используется в синтезе стероидных кетонов, алкалоидов и терпенов. Эта реакция является процессом, обратным уже рассматренному нами восстановлению по Меервейну-Понндорфу-Верлею:


Если вместо циклогексанона использовать хинон (реакция Веттштайна - разновидность окисления по Оппенауэру), то наряду с кетоном образуется двойная связь (окисление 5-3-гидроксистероидов в 4,6-3-кетостероиды):



Помимо обычного окисления гидроксильной группы в условиях реакции Оппенауэра, происходит перемещение С=С связи и дегидрирование с образованием 4,6-3-кетостероидов.

Насыщенные стероидные спирты в этих условиях дают нормальные продукты окисления по Оппенауэру.

3. Окисление гидроксисоединений хлором



4. Окислением хромовым ангидридом некоторых ароматических соединений:


IV. окисление алкильных групп в карбоновые кислоты


А. Окисление предельных углеводородов. Неразветвленные алканы являются одними из наиболее трудно окисляемых органических соединений. Обычные окислители (например, KMnO4) при комнатной или повышенной температуре не действуют на них. Лишь горячая хромовая смесь окисляет алканы. Реакция, по-видимому, идет по радикальному механизму и сопровождается образованием большого числа продуктов, а потому практически не используется для направленного синтеза БАВ.

Окисление алканов кислородом воздуха в присутствии катализаторов пригодно для промышленного использования. Этим методом в промышленных масштабах получают синтетические карбоновые кислоты, которые используются в парфюмерии, при изготовлении смазочных веществ, моющих средств, мыла, стеарина, капрона и других полимерных материалов, лекарств.

Исходными веществами для получения жирных кислот служат твердые и жидкие парафины5С23). Окисление проводят кислородом воздуха, чаще всего в жидкой фазе при температуре 100-150°С в присутствии катализаторов. Реакция в условиях гомогенного катализа идет по радикальному механизму.

Суммарный выход синтетических жирных кислот составляет 60-70% в расчете на исходные углеводороды. Поскольку все метиленовые группы равноценны с точки зрения их окисляемости, получают смесь жирных кислот с цепями разной длины. В химико-фармацевтической промышленности такие процессы практически не используются.



Б. Окисление активированных алкильных групп (связанных с карбонильной группой, ароматическим кольцом и другими активирующими группами) идет значительно легче и более селективно, образуется меньшее число побочных продуктов.

1. Окисление боковой цепи сложных ароматических соединений до карбоновых кислот. Для этих целей используют бихромат в кислой среде и разбавленную азотную кислоту, которые являются наиболее сильными из применяемых в химико-фармацевтической технологии окислителей. Окисление, как правило, идет по активированному -углеродному атому.

- окисление никотина разбавленной азотной кислотой:

- Окислением наркотина разбавленной азотной кислотой получают важный промежуточный продукт в синтезе лекарственных веществ – опиановую кислоту:







2. Окисление толуола и его производных до бензолкарбоновых кислот так же проводят сильными окислителями (хромовой кислотой, азотной кислотой, перманганатом калия и другими).

- Окисление хромпиком в серной кислоте применяется в производстве о- и п-нитробензойных кислот:



Установлено, что чем ниже температура реакции, тем выше должна быть концентрация серной кислоты.

Образующийся при этом в качестве побочного продукта альдегид доокисляют перманганатом:


- Окисление водными растворами бихромата в нейтральных растворах, но при давлении 20 МПа и температуре 305-315°С. Получаются соли бензойной кислоты:





Поскольку хроматы реагируют значительно медленнее, чем бихроматы, к реакционной массе целесообразно добавлять некоторое количество кислоты (например, бензойной) с тем, чтобы нейтрализовать образующуюся щелочь.



- Окисление перманганатом калия обычно ведут постепенным добавлением твердого перманганата к водному раствору или суспензии окисляемого вещества. В тех случаях, когда выделяющаяся щелочь может повредить продукту (например, способствовать омылению ацильного производного), к реакционной массе добавляют сульфат магния. Таким образом получают 4-нитро-2-ацетаминобензойную кислоту, 4-хлор-2-ацетаминобензойную кислоту и некоторые другие промежуточные продукты:





-Окисление кислородом воздуха идет только в присутствии катализатора (нафтената кобальта) при температуре 140°С и давлении 0,4 МПа.


Для разделения образующейся смеси продуктов реакционную массу обрабатывают раствором соды. Бензойная кислота в виде бензоата натрия переходит в водный слой и затем может быть выделена из него подкислением.

Органический слой состоит из не вступившего в реакцию толуола и образовавшихся в качестве побочных продуктов дифенила, бензилового эфира бензойной кислоты и бензальдегида. Органический слой разделяют на составные части дистилляцией. Толуол и бензальдегид возвращают на окисление.


3. Окисление гомологов пиридина до пиридинкарбоновых кислот в малотоннажных производствах чаще всего осуществляют перманганатом или пиролюзитом по периодической схеме с выходом до 90%, в крупнотоннажных – по непрерывной схеме азотной кислотой. Так, из -, -, -пиколинов, 2,6-лутидина получают пиколиновую, никотиновую, изоникотиновую (-, -, -пиридинкарбоновые кислоты) и 6-метилпиколиновую кислоты:



- Изоникотиновая (-пиридинкарбоновую) кислоту является сырьем для синтеза противотуберкулезных препаратов. Никотиновая кислота (-пиридинкарбоновая кислота) - витамин РР.

- Амид никотиновой кислоты получают также методом окислительного аминирования. Этот метод не требует дефицитного и дорогостоящего перманганата калия. Процесс можно осуществлять непрерывно:

Нитрилы пиридиновых кислот получают при пропускании смеси паров пиколина, аммиака и воздуха при 300-350°С над катализатором. Наилучшие результаты получены при использовании в качестве катализатора ванадата алюминия или V2O5, осажденного на Al2O3 с добавлением K2SO4. Выход нитрила на прореагировавший -пиколин 93,6%. Омыление нитрила осуществляют в водно-аммиачном растворе в присутствии едкого кали и 10%-го раствора перекиси.

- Разработано также электролитическое окисление -пиколина.

- Никотиновую кислоту можно также получить окислением хинолина:



4. Окисление алифатических кетонов и вторичных спиртов хромовой смесью или азотной кислотой. При этом соблюдается правило Попова - Вагнера



- Циклогексанол превращается в адипиновую кислоту под действием 50%-ой азотной кислоты в присутствии ванадата аммония с выходом 60%:



5. Окисление альдегидов в карбоновые кислоты идет очень легко. В последнее время все большее значение приобретают электрохимические методы окисления альдегидов. В качестве примера можно привести электролиз раствора глюкозы в присутствии мела и бромида кальция в производстве глюконата кальция:








V. Окисление непредельных углеводородов


1. Окисление алкенов идет очень легко. Значительно труднее остановить его на стадии синтеза гликолей и альдегидов.

Окислением азотной кислотой можно получить из анетола анисовый альдегид и кислоту:



2. Озонирование является общим методом окисления непредельных соединений до альдегидов, кетонов и кислот.

Концентрация озона при окислении алкенов обычно составляет 14-15%. Более высокую концентрацию используют при окислении ароматических колец и соединений с сопряженными двойными связями.

В качестве растворителей используют ледяную уксусную кислоту, воду, метанол, метиленхлорид, четыреххлористый углерод, фтортрихлорметан и др. При окислении озоном выход альдегидов, кетонов и кислот обычно составляет 60-70%.

В препаративной химии озонирование используют для получения труднодоступных диальдегидов а также кислот из циклических олефинов и диенов. Например, из гексадиена-1,5 можно получить янтарный альдегид и кислоту, а из циклогексена – адипиновый альдегид и кислоту.


- При получении альдегидов к реакционной смеси добавляют цинк и уксусную кислоту для восстановительного расщепления озонида. Озонирование изоэвгенола приводит к получению ванилина, что может явиться промышленным методом синтеза.

Интересно, что эвгенол и ванилин являются душистыми веществами: эвгенол имеет запах гвоздики, а ванилин – ванили.



- При получении кислот гидролиз озонидов проводят в присутствии окислителей (лучше всего перекиси водорода).

Из 3-аллилпиридина с количественным выходом получается 3-пиридилуксусная кислота:





- При окислительном расщеплении озоном ароматических соединений также образуются карбоновые кислоты. Существуют, например, основанные на этом принципе промышленные производства дифеновой кислоты из фенантрена:

глиоксалевой кислоты из бензола:




VI. Окисление ароматического цикла


Ароматические циклы достаточно устойчивы к окислению, поэтому для их расщепления до карбоновых кислот необходимо энергичное воздействие таких сильных окислителей, как бихроматы в серной или уксусной кислотах, KMnO4 в щелочной или кислой среде, HNO3, кислорода в присутствии эффективных катализаторов.

Электроноакцепторные заместители стабилизируют ароматическое кольцо, а электронодонорные облегчают процесс окислительного разрушения.

Таким образом получают малеиновый и фталевый ангидриды, антрахинон и некоторые другие соединения. Для синтеза химико-фармацевтических препаратов из перечисленных соединений наибольшее значение имеет малеиновый ангидрид.

- Окисление бензола воздухом в паровой фазе приводит к образованию малеинового ангидрида:

Реакция протекает при высокой температуре в присутствии катализатора. Выход продукта составляет около 60%. В качестве побочных продуктов образуются п-бензохинон и углекислый газ:







Катализатором может служить пятиокись ванадия (V2O5). Однако наибольший выход малеинового ангидрида достигается на сложных катализаторах (смеси окислов или солей ванадия, молибдена и некоторых других металлов, нанесенных на пемзу или силикагель).

- Окисление нафталина приблизительно в тех же условиях приводит к образованию фталевого ангидрида:

В качестве побочного продукта образуется малеиновый ангидрид.

- Окислительная деструкция нафталина перманганатом калия в слабощелочной среде при кипении реакционной массы приводит к образованию калиевой соли фталоновой килоты:



- Окисление бензольного кольца бихроматом в кислой среде, например, при получении имидазол-4,5-дикарбоновой кислоты (синтез этимизола):

Процесс ведут по периодической схеме при нагревании реакционной массы до 85-90°С.



- Окисление фурфурола хлоратом натрия до фумаровой кислоты с выходом около 60%:


VII. Особенности техники безопасности при проведении процессов окисления


Многие процессы окисления, особенно при проведении их в паровой фазе, являются взрыво- и пожароопасными.

В связи с этим на аппаратах, в которых перерабатываются взрывоопасные смеси, устанавливают предохранительные мембраны, а на соответствующих трубопроводах – огневзрывопредохранители. В таких цехах действуют строгие противопожарные нормы в соответствии с действующими правилами.

Процессы, связанные с опасностью самовозгорания, проводят в токе азота или иного инертного газа.

Многие вещества, используемые в процессах окисления, являются вредными. Следует обращать особое внимание на сильную токсичность озона (ПДК в воздухе 1 мг/м3).

При применении хромовых растворов в реакции окисления не следует применять выплавления хромпика паром, так как при этом в воздух выделяется аэрозоль хромовых соединений. Не следует допускать ручного разбивания хромпика, если он находится не в кристаллах, а в сплавленном виде. В этом случае следует растворять его в чанах с ложным дном.

При применении в качестве растворителя азотной кислоты следует предусматривать очистку от окислов азота выхлопных газов.





База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница